NO944804L - Fremgangsmåte for fortykning av vann og anvendelse av dette - Google Patents

Description

Fortykning av væsker er av teknisk betydning for å kunne kontrollere deres strømningsegenskaper, samt når væsker eksempelvis anvendes som lagrings- eller transportmiddel for aktive stoffer for å unngå tap av aktivt stoff gjennom at noe av væsken renner bort, for å holde sedimenterbare partikler i homogen blanding i væsken, for å fiksere væsker til overflater slik at det oppnås langtidsvirkninger, eller for å forbedre væskenes forhold som hydrostatiske medier for trykkfordeling, eksempelvis gjennom minskning eller utelukkelse av bølgefor-plantninger.

Vann er utmerket som flytende medium fordi det ikke er giftig, har oppløsningsevne, blandbarhet, lav pris og god tilgjengelighet. Derimot er det ofte en ulempe for teknisk anvendelse at vann renner hurtig og ukontrollert, at kun tynne vannfilmer hefter til overflater, inneholdte faste stoffer sedimenterer hurtig og at bølgeforplantningen er sterk. Dette er tilfellet når vann anvendes som slukkemiddel og som væske-bårer for rengjørings- eller plantevernmidler, men også når dets svært gode trykkfordelingsvirkninger utnyttes.

Fremstilling av fortykket vann for å oppfylle de nevnte tekniske krav, særlig på en varig og kontrollerbar måte, og unngå at de fordelaktige egenskaper forringes når det tilsettes små mengder hjelpestoffer, vil ofte være et krav som stilles. I denne forbindelse er det vurdert forskjellige tekniske løsninger for å ta hensyn til de spesielle krav. Organiske fortykningsmidler som gelatin, stivelse eller cellulosederivater, naturlige polysakkarider (gum) eller syntetiske, vannløselige høypolymerer forandrer vannets egenskaper på en for de nevnte tekniske anvendelser ofte uheldig måte fordi det oppstår klebende eller tråd-trekkende egenskaper, eller dårlig holdbarhet (oksidativ eller mikrobiell nedbryt-ning, jfr. Kirk-Othmer, "Encyclopedia of Chemical Technology", 3. utg., vol. 18, s. 623).

Tilsetter man derimot kun uorganiske fortykningsmidler, slik som krystallinske silikater (bentonitt, attapulgitt eller glimmer), som stabile fortynningsmidler for vann, så er det nødvendig med konsentrasjoner klart over 10% for å oppnå teknisk brukbare fortykningsvirkninger, slik det er kjent gjennom anvendelse av vann fortykket med bentonitt eller attapulgitt for slukking av skogbranner (litteratur: f.eks. CE. Hardy, "Chemicals for Forest Fire Fighting", 3. utg., 1977, Boston). Krystallinske lagdelte silikater som bentonitt danner etter at vannet er fordampet ofte uønskede rester som vanskelig lar seg fjerne.

Alle de nevnte fortykningsmidler for vann har til felles at det på grunn av svellingsforholdene behøves betydelig tid (timer til dager) for å kunne oppnå den tilstrebede maksimale fortykning. Dette lar seg vanskelig regulere gjennom ytre på-virkninger og krever ofte en omstendelig håndtering. Gjennom geling av ustabiliserte kieselsoler eller gjennom nøytralise-ring av kieselgeler fremstilt av vannglass, kan det allerede ved lave konsentrasjoner oppnås en fortykningsvirkning, men gelen vil kontinuerlig skille ut vann (synerese) på grunn av polykondensasjon av kieselsyrene dannet ved nøytraliseringen, og vil skrumpe inn. Ved fordampning av vann oppstår det her-dede rester som vanskelig lar seg fjerne fra overflater, kar eller utstyr, ledninger og lignende. Det er således utelukket å anvende slikt fortykket vann i for eksempel brannslukkere, sprøyter for plantevernmidler, eller som fyllmedium i f.eks. vannsengmadrasser. Også geling over tid av kieselsyre som foreligger i lave konsentrasjoner i vann lar seg vanskelig regulere, selv ved tilsetning av hjelpestoffer, slik som salter. Høydisperse, amorfe, syntetiske kieselsyrer har riktignok ikke de sistnevnte uheldige egenskaper. De anvendes imidlertid i overveiende grad som fortykningsmiddel for organiske, hydrofobe væsker fordi de på grunn av sine hydrofile egenskaper viser en tydelig svakere virkning som fortykningsmiddel ved lave konsentrasjoner i vann. Dette inntreffer også med andre flytende hydrofile medier, som f.eks. glyserol.

Det bekreftes også av R.K. Iler i "The Chemistry of Silica", Wiley, New York 1979, s. 336, at dispersjoner av pyrogent fremstilt kieselsyre i vandig løsning danner soler. Disse danner ikke noen sterke geler og er derfor til liten nytte som uorganisk bindemiddel.

Med foreliggende oppfinnelse er det til løsning på problemet med øyeblikkelig fremstilling av fortykket vann funnet at en øyeblikkelig og varig fortykning kan oppnås med høy- disperse, syntetisk fremstilte kieselsoler, hvilke fortrinns-vis er fremstilt av pyrogen kieselsyre som er oppslemmet i vann i lav konsentrasjon, f.eks. oppslemminger av 1-9%, for-trinnsvis 2-5%, pyrogene kieselsyrer, og med bare liten tilsetning av bestemte vannløselige organiske forbindelser, nem-lig etere av fettalkoholer eller sukkeralkoholer, eller estere av fettsyrer og polyetylenglykoler eller polypropylenglykoler med molekylvekt 250-50.000 i konsentrasjoner av 0,005%-l,5%, polyetylenglykol eller polypropylenglykol med molekylvekt 600 - 50.000 i konsentrasjoner av 0,05%-l,5%, polyetylenimin i konsentrasjoner av >0,003, eller poly-(N-vinyl-2-pyrrolidon) i konsentrasjoner av 0,05%-0,5%. Til forskjell fra de andre nevnte fortykningsmetoder, og kjennetegnende for denne fortyk-ningsmåte, er særlig systemets utpregede reopekse forhold, hvilket viser seg øyeblikkelig ved innvirkning av skjærpåkjenninger, som f.eks. ved omrøring med en elektrisk rørestav (800-1600 o/min), strømning gjennom sentrifugalpumper eller ved sprøyting gjennom dyser. Dervedøker fortykningen og det oppnås en homogen og lenge holdbar fortykningsvirkning. De nevnte organiske forbindelser kan anvendes i de nevnte konsentrasjoner alene eller i kombinasjon.Anvendelsen av polyetylenglykol, eller de nevnte derivater av denne, er begrenset til pH-området 1-9, ved høyere pH-verdier inntrer fortynning til samme vanntynne konsistens som før tilsetningen. Med polyetylenimin finner denne fortynning sted ved pH-verdier under 3. Ved å kombinere begge tilsetningssstoffer er det mulig å oppnå fortykning i et tilsvarende utvidet pH-område. De syntetiske, amorfe kieselsyrer kan også blandes tørt med de nevnte organiske forbindelser før vann tilsettes. Denne blanding kan lagres inntil bruk og så tilsettes den mengde vann som er påkrevet for å oppnå den nødvendige konsentrasjon. Det er også mulig å blande kieselsyren og de nevnte organiske tilsetningsstoffer direkte med vann.

Den således fremstilte, fortykkede oppslemming av syntetisk amorf kieselsyre i vann i lav konsentrasjon ("fortykket vann") kan for eksempel med svært godt resultat anvendes som slukkemiddel for branner av klasse A (særlig vanskelig slukkbare branner i dekk eller andre kunststoffer), da den også hefter til hydrofobe eller varme overflater i massiv form og således gjør det mulig å holde tykke vannsjikt i beredskap på horisontale, vertikale og til og med på underliggende flater av alle typer, den er videre egnet som borevæske siden den er stabil mot skjærpåkjenninger ved trykk ved forhøyet tempe-ratur, og den er anvendelig som bærer for rengjøringsmiddel, slik som avkalkningsmiddel, fordi den bl.a. kan inneholde opp-løste syrer, slik som sitronsyre, vinsyre eller eplesyre, som ved påføring på forkalkede overflater kan gi en holdbar virkning.

Anvendelse av det fortykkede vann ifølge oppfinnelsen er også fordelaktig som hydrostatisk, trykkutjevnende fylling i vannsengmadrasser, sitteputer eller i gelsaler, ved at bølgereflekser fjernes. Således er det i en fleksibel sittepute ikke observert dannelse av mikroorganismer i det fortykkede vann etter et tidsrom på flere måneder, mens sammen-lignbare puter fylt med vann hadde etter det samme tidsrom slimete avsetninger på innerveggene, formodentlig på grunn av algedannelse.

Det fortykkede vann ifølge oppfinnelsen er blandbart med oppløste salter av uorganiske og organiske syrer, også i høyere konsentrasjoner (f.eks. tilsetning av 30% kaliumacetat eller kaliumlaktat), slik at det kan gjøres frostsikkert (f.eks. til -30°C). Også sukker og hydrerte derivater av dette som sorbitol, glykoler eller glyserol, kan løses i det fortykkede vann i ønskede konsentrasjoner uten at fortykningen på-virkes. Dermed kan det således fortykkede vann også anvendes som en flytende, gjenvinnbar fylling i kjøleputer, kjøleele-menter eller kjøleposer. På grunn av de gode håndteringsegen-skaper ved bruk, er disse blandinger også fritt refyllbare og derved gjenvinnbare. Dette er vanligvis ikke mulig med denne type fyllinger fremstilt med organiske geldannere. På grunn av den holdbare fortykning er det videre mulig å innlemme stabile, organiske, uløselige stoffer, også proteiner. Dette er nyttig for analytiske formål og også for syntetisk-preparative formål, som ved materialadskillelse.

For anvendelse som brannslukningsmiddel kan det fortykkede vann også tilsettes skumkonsentrater (f.eks. av AFFF-typer), hvorved både fortykningen og skumbarheten beholdes. Det oppstår derved et fortykket skum som i motsetning til skum fremstilt med AFFF alene, viser en betydelig forbedret klebe-evne til overflater, slik at en ukontrollert avrenning av skummet unngås. Det er derved mulig å bekjempe branner i faste stoffer (klasse A), samt i brennbare væsker (klasse B).

Følgende eksempler forklarer oppfinnelsen nærmere, uten å begrense denne:

Eksempel 1

2,2 1 av en 15%-ig dispersjon av amorf, syntetisk kieselsyre ("Wacker HDK KD 150", varemerke tilhørende Wacker Chemie GmbH, Munchen) ble blandet med 7,8 1 vann. Med denne tyntflytende dispersjon, som hadde en utløpstid på 10 s i begeret ifølge DIN 53 211, ble det blandet 20 g polyoksyetylen-lauryleter med molekylvekt ca. 380 ("Mulsifan CPA", varemerke tilhørende Zschimmer und Schwarz, Lahnstein). Umiddelbart etter tilsetningen hadde blandingen en utløpsviskositet på 11 s. En mengde på 500 ml av blandingen ble fylt på en sprøyteflaske og så sprøytet på en loddrett, glatt aluminiumsflate. Gjennom de kreftene som virket ved sprøytingen ble fortykkingen av blandingen forsterket umiddelbart, slik at den klebet fullstendig til metallflaten.

En ytterligere del på 500 ml av den tyntflytende blanding i et kar ble omrørt noen sekunder med en elektrisk rørestav. Derved ble blandingen øyeblikkelig ytterligere fortykket, og det ble deretter målt en utløpsviskositet på ca. 29 s i utløpsbegeret (en mindre del av blandingen rant ikke ut av begerets konus). En tilsvarende stor fortykkelse kan også oppnås ved å pumpe blandingen gjennom en elektrisk sentrifugalpumpe (transport-mengde: 68 l/min). (Utløpsviskositet ca. 26 s).

Også ved sprøyting med en plantevernmiddelsprøyte (Gloria, type 172 RTG og 176 T, forskjellige sprøytedyser) oppsto det momentan fortykning og svært god klebing av det fortykkede vann på alle typer flater. Det ble også påvist god klebing til plantene, særlig der hvor vannet perlet av på plantens over-flate på grunn av overflatehydrofobisering. Således er det bl.a. mulig å påføre plantene vann i tykke sjikt uten tap, eventuelt også med ytterligere tilsetningsstoffer, hvilket kan utnyttes til forbedret beskyttelse mot frostskader eller for å påføre plantevernmidler. De påførte sjikt kan ved behov fjer-

nes ved avspyling med vann.

Forsøket ble gjennomført med samme resultat når det i stedet for polyoksyetylenlauryletere ble anvendt polyetylenglykol med molekylvekt ca. 4220, polyoksyetylensorbitanmono-stearat med molekylvekt ca. 1200, PEG-120 jojobaalkohol og PEG-120 jojobasyre (molekylvekt ca. 5400), polyetylenimin eller poly-(N-vlnyl-2-pyrrolidon). En fortykningsvirkning som ble forsterket under innflytelse av skjærpåkjenning, ble observert allerede ved en tilsetningsmengde på kun 0,05% av de nevnte lavmolekylære polyoksyetylenderivater, polyetylenglykol, poly-(N-vinyl-2-pyrrolidon), eller kun 0,003% av polyety-leniminet, hvorved viskositetene var tilsvarende lavere. Poly-eteren viste en øvre grense for virkning på ca. 1,5%, poly-(N-vinylpyrrolidon) hadde en slik grense på ca. 1%, med hensyn til totalblandingen. Over disse grenser gikk oppslemmingen av kieselsyre i vann igjen over i den tyntflytende utgangstil-stand.

Eksempel 2

Fortykket vann fremstilt i henhold til eksempel 1 ble anvendt til å slukke en fullt utviklet brann i 6 bildekk. Til dette ble det anvendt et 10 1 vannbasert brannslukningsapparat som var i overensstemmelse med DIN og som var tilgjengelig i handelen. Med 5 1 av det fortykkede vann ble brannen fullstendig slukket uten at den flammet opp på nytt. I motsetning til dette kunne den samme brann ikke slukkes med 12 kg brannsluk-ningspulver, da det kort etter at flammene var slukket med pulver, igjen tok fyr.

Eksempel 3

Fortykket vann fremstilt i henhold til eksempel 1 ble fylt i en sittepute som rommet 5 1, mens en annen pute av samme type ble fylt med rent vann. Fyllingen med fortykket vann forhindret bølgereflekser fullstendig, mens det i puten som var fylt med bare vann var "bølgerystelser" i lengre tid. Ved sammenligning var det også en betydelig forbedret sitte-komfort når "bølgebevegelsene" kunne unngås. Etter en tids-periode på 6 måneder ble begge puter tømt og ved undersøkelse av innsidene viste puten fylt med kun vann dannelse av et slimete, grønnaktig belegg, mens puten fylt med det fortettede vann ikke viste noen forandringer.

En vannsengmadress ("Kuss", DLM Mfg. Co., Findlay, Oh., USA, ustabilisert) ble fylt med ca. 500 1 av det fortykkede vann ifølge eksempel 1. Bare gjennom dette ble det oppnådd en 100% stabilisering av madrassen, hvilket kom til uttrykk ved en refleksjonstid på <1 s når madrasskanten ble utsatt for en støtimpuls. En ustabilisert vannsengmadrass kun fylt med vann viste derimot en refleksjonstid på >>30 s. Det ble således oppnådd en betydelig forbedring i liggekomfort uten anvendelse av de mekaniske stabiliseringssystemer som er vanlig i vann-senger.

Eksempel 4

Fortykket vann fremstilt i henhold til eksempel 1 ble blandet med 30 vekt% kaliumacetat som løste seg opp i dette. Kalsiumacetat er beskrevet som såkalt "Loaded Stream Agent" i Kirk-Othmers "Encyclopedia of Chemical Technology, Supple-ment", 1985, s. 452, ved frostbeskyttelse av vannbaserte brannslukkere under trykk, og beskrives også som lite effekti-ve for branner av klasse B. Fortykningsvirkningen ble også beholdt etter tilsetningen. Blandingen ble avkjølt i 24 timer til -i-30°C, hvorved den tyktflytende homogene konsistens ble beholdt. Det ble ikke påvist frysing. Etter oppvarming ble den fortykkede utgangskonsistens oppnådd på nytt, spalting eller utfellinger ble ikke påvist.

I et lite brannslukningsforsøk med taklister av gran ble det med den fortykkede blanding påvist svært gode slukkeegenska-per, hvilket også kom til uttrykk gjennom en god klebing til de brennbare overflater. Forsøket ble gjentatt, idet kaliumacetat ble erstattet med kaliumlaktat. Det ble oppnådd tilsvarende resultater.

I et ytterligere forsøk ble det funnet at med en høy-ere konsentrert, ca. 30%-ig, oppløsning av kaliumacetat eller kaliumlaktat i vann uten de i eksempel 1 beskrevne additiver, var det mulig etter tilsetning av ca. 3,3 vekt% syntetisk amorf kieselsyre å bevirke en fortykning av denne blanding, men klebingen til glatte overflater (plast, gummi) var imidlertid ikke så god som for den samme blanding med de organiske forbindelser nevnt i eksempel 1. I motsetning til det som er tilfellet med de organiske tilsetningsstoffer nevnt i eksempel 1, finner denne fortykning bare sted ved høye konsentrasjoner av begge de nevnte organiske salter.

Eksempel 5

Fortykket vann fremstilt i henhold til eksempel 1 ble i tre forsøk blandet med 2%, 3% og 6% av et kommersielt tilgjengelig AFFF skumkonsentrat som ikke inneholdt de synergist-iske stoffer av type polyoksyetylenfettalkoholeter. Blandingen viste seg å være skumbar med en skumdyse og viste i sammenligning med skumdannelsen med ufortykket vann eller med en ufortykket kieselsyreoppslemming i vann uten fortykningsadditiv, et fortykket skum som i motsetning til de forannevnte "ufor-tykkede" skum klebet til overflater. Det således oppnådde "fortykkede" skum egner seg til å slukke branner i flytende hydrokarboner. De er dessuten også særlig virksomme ved brann-bekjempelse i faste stoffer, fordi de kleber til disse.

Med ca. 5 1 av et således fortykket skum som inneholdt 6% av AFFF-skumkonsentratet kunne det slukkes en brann i granllster med mål 270 cm x 50 cm (7 lag, tverrsnitt 2 x 4 cm). Det fore-kom praktisk talt ingen gjenoppblussing av ilden.

Eksempel 6

En oppslemming av 150 g pyrogen kieselsyre ("Aerosil" 200, reg. varemerke tilhørende Degussa) i 4850 ml vann ble blandet med 10 g poly-(N-vinyl-2-pyrrolidon) ("Sokalan HP 50" eller HP 53, reg. varemerke tilhørende BASF), og omrørt med en glasstav. Derved inntrådte det en svak viskositetsøkning som kunne uttrykkes som en utløpstid i begeret ifølge DIN 53 211 fra 9 s (uten "Sokalan") til 20 s (med "Sokalan"). Skjærer man den tilsvarende blanding bare kort tid (1 s) med en rørestav (Philips Elekctroquirl, 800/1700 U/min, 4 cm diameter på skjærekniven), så øker viskositeten til en verdi tilsvarende en pastaformig, sterkt sjiktdannende konsistens som henger på veggene, og som blir hengende i utløpsbegerets konus slik at det blir umulig å bestemme viskositeten med begeret. Blandingen viser svært god holdbarhet med hensyn til homogenitet, klebing til overflater, slik som til polyetylen, glass og metall, samt vedvarende stabilitet overfor skjærpåkjenninger, selv ved 95°C. Det kan imidlertid fortsatt godt sprøytes gjennom dyser i vanlige brannslukningsapparater eller sprøyter for plantevernmidler. Blandingen viser en sterkt forsinket avgi-velse av vann ved direkte kontakt med sugende substrater, slik som f.eks. jord.

Dette er en fordel ved anvendelse av det således fortykkede vann til slukking av branner i søppeldeponier fordi det ved sprøyting av slukkemidlet er mulig med en forseglende påføring uten vesentlig ukontrollert inntrengning. Ufortykket vann trenger derimot raskt og ukontrollert inn og går således hurtig tapt som slukkemiddel i de brannfarlige soner.

Eksempel 7

En mengde på 30 g pyrogen kieselsyre ble blandet med 500 ml vann og 470 g av en løsning av sorbitolsirup (70% i vann). Gjennom tilsetning av 2 g poly-(N-vinyl-2-pyrrolidon) og blanding med en "Elektroquirl" ved 800 o/min ble det oppnådd en støpeferdig pasta som ble anvendt som fylling i kjøle-poser. Massen var ved -20°C fremdeles tilstrekkelig formbar til å kunne tilpasses ujevne flater. Massen kunne underkastes hyppige innfrysnings- og opptiningssykluser og kunne således anvendes på nytt mange ganger.

Eksempel 8

En fortykket oppslemming av pyrogen kieselsyre, slik som i eksempel 1, ble blandet med 2% sitron-, vin- eller eplesyre, og 500 ml av denne blanding ble benyttet til rengjøring av forkalkede stein- og plastflater. Gjennom den klebende virkning ble det oppnådd en grundig, materialsparende rengjø-ring av de forkalkede flater.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for fortykning av vann ved at det frem-stilles en oppslemming av 1-9 vekt% hø ydispers syntetisk, for-trinnsvis pyrogen, kieselsyre i vann og med bare en liten tilsetning av tilsetningsstoffer, karakterisert ved at det som tilsetningsstoff anvendes 0,05-0,5 vekt% poly-(N-vinyl-2-pyrrolidon) (PVP).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at PVP anvendes i blanding med de kjente tilsetningsstoffer av etere av fettalkoholer eller sukkeralkoholer, eller estere av fettsyrer og polyetylenglykoler eller polypropylenglykoler med molekylvekter 250-50.000, polyetylenglykol eller polypropylenglykol med molekylvekter 600-50.000, eller polyetylenimin.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at en forsterkning av fortykningsvirkningen oppnås gjennom kraftig omrøring, skjærpåkjenning eller ved en sprøyteprosess.

4. Fortykket vann, karakterisert ved at det er fremstilt ved en fremgangsmåte ifølge minst ett av kravene 1-3.

5. Anvendelse av fortykket vann ifølge krav 4, som bindemiddel eller bærersubstans for fargepigmenter, rengjørings-midler, plantevernmidler, borevæsker, brannslukningsmidler eller som fylling i vannsengmadrasser eller sitteputer.